Technisches und wirtschaftliches Potential von Gasentspannungsanlagen zur Stromerzeugung

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung

2. Technische Voraussetzung
2.1. Leistungsanforderungen
2.2. Physikalische Grundbetrachtung
2.3. Kummulierte Mengenbetrachtung
2.4. Komponenteneinteilung
2.4.1. Turbine
2.4.2. Kolbenmotor
2.4.3. Expansionsschrauben
2.4.4. Generatoren
2.4.5. Wärmetauscher
2.5. Komplettsysteme

3. Wirtschaftliche Betrachtung
3.1. Grundlagen
3.1.1. Technische Ausrichtung
3.1.2. Wirtschaftlicher Ausrichtung
3.2. Rechnungsgrundlegung und Umsetzung
3.3. Risikobewertung
3.4. Praktische Umsetzung
3.5. Mittelbeschaffung
3.5.1. Fremdfinanzierung
3.5.2. Eigenfinanzierung
3.5.3. Contracting

4. Übertragung auf vorhandene Systeme
4.1. Darstellung anhand einer Beispielanlage
4.2. Komplettsystem Kühnle, Kopp & Kausch AG
4.2.1. Anlagen- und Firmendarstellung
4.2.2. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
4.3. Komplettsystem teg turboequipment GmbH
4.3.1. Anlagen- und Firmendarstellung
4.3.2. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
4.4. Komplettsystem Spillingwerk GmbH
4.4.1. Anlagen- und Firmendarstellung
4.4.2. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

5. Zusammenfassung

6. Literaturverzeichnis

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

Abbildung 2.1-1: Darstellung des Prozesses, (Turbine als Expansionsaggregat), Quelle: Kühnle, Kopp & Kausch (1998)

Abbildung 2.2-1: Joule-Thomson-Effekt (1 - 2´ - 5) und Joule-Prozess (1 - 2 - 3 - 4 - 5) im Vergleich, Quelle: ASUE e.V. (Stand 28.09.2004)

Abbildung 2.3-1: Effizienzdarstellung des geplanten Prozesses, Quelle (modifiziert): Kühnle, Kopp & Kausch (1998).

Abbildung 2.5-1: Druckregelstation mit Entspannungsmotor (Gasmessung hochdruckseitig), Quelle: ASUE e.V

Abbildung 4.1-1: Lastkurve der Bespielanlage

Abbildung 4.4.1-1: Lastkurve der Entspannungsmaschine.Quelle: Spilling Energie System

Abbildung 4.4.2-1: Kapitalwert des Spilling Angebots

Tabelle 2.3-1: Ausnutzung einer Lastkurve durch eine Expansionsanlage

Tabelle 4.4.1-1: Energieberechnung der Anlage („Anstehend als Last in Stunden“ abgeschätzt).

Tabelle 4.4.2-1: Kapitalwertberechnung des Spilling-Angebots

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einführung

Die Bedeutung des Erdgases als fossiler Energieträger ist in den letzten Jahren stetig gestiegen. Von dieser Entwicklung ist gegenwärtig kein Ende abzusehen, da bestehende Marktanteile anderer fossiler Energien wie Kohle und Erdöl durch Erdgas substituiert werden können. Durch seine umweltfreundlichen Eigenschaften, wie dem geringen CO₂ Ausstoß und dem Preis-Leistungsverhältnis, ist es gegenüber den genannten Rohstoffen eine wettbewerbsfähige Alternative.

Die im letzten Jahrzehnt aufgebaute Infrastruktur durch Erdgasnetzsysteme, welche über Russland bis nach Deutschland reichen, fördern diese Wirtschaftlichkeit des Rohstoffs und lassen Abnehmern die Möglichkeit, Erdgas unkompliziert ohne Lagerung und Lieferüberwachung zu konsumieren. Vor allem viele Privathaushalte, aber auch die Industrie wurden durch diese Vorteile überzeugt.

Erdgas wird unter hohem Druck in Fördergebieten aus dem Erdreich gewonnen und über lange Überlandleitungen zum Verbraucher transportiert. Dabei ist die Förderkette bis zu dem einzelnen Bedarfsorten in mehrere Druckdifferenzen gegliedert, die an den jeweiligen Übergabestationen anstehen. Je nach Distanz, über die Erdgas transportiert wird, veranschlagt man unterschiedliche Rohrdurchmesser und Druckstufen um den Reibungsverlust des strömenden Elements zu minimieren. Transporte innerhalb Deutschlands werden bei bis zu 50bar realisiert. Angekommen an den Hauptabnahmepunkten wird der Druck reduziert um den technischen Anforderungen der an die Gasleitung angeschlossenen Anlagen zu entsprechen. Die Druckreduzierung wird auch als Drosselung bezeichnet, bei der durch eine Verengung nur ein Teil des Gases weiterströmen kann und in der darauf folgenden Erweiterung dieser Teil sich ausbreitet, also expandiert und somit an Druck verliert.

Dies stellt eine simple Technik dar, die verglichen zu einer Autobremse ihren Zweck erfüllt, aber parallel Energie, die in dem Erdgas besteht unwiederbringlich entnimmt. Der Verlust der kinetischen Energie des PKW kann hierbei dem Druckverlust gleichgesetzt werden.

Es besteht somit die Aufgabe bei einer Optimierung die freiwerdende Druckenergie des Gases in andere für den Menschen nutzbare Energie umzuwandeln. Wird die Verengung, auf der der Volumenstrom auftrifft durch Flächen ersetzt, die kontinuierlich davon zur Seite gedrückt werden und realisiert somit ein Turbine, die permanent Flächen dieser Art zur Verfügung stellt, kann durch die sich somit rotierende Turbine ein Generator angetrieben und elektrische Energie erzeugt werden. Das abgebremste Erdgas fließt in gleicher Menge und Qualität hinter dem Expanderaggregat weiter. Ebenfalls wird die benötigte Entspannung durch Abtrennung einzelner Volumenstücke vom Erdgasstrom realisiert, die beim Durchlaufen der Turbine von innen nach außen eine Volumenvergrößerung erfahren. Je weiter das Gas vom Kreismittelpunkt zwischen zwei Turbinenschaufeln sich entfernt, desto größer wird der dabei bestehende Raum, in den es sich ausbreiten kann. Ähnliche Prinzipien bieten auch Kolben und Expansionsschrauben, die anstatt der Turbine als Expansionsaggregat eingesetzt werden können.

Diese Erdgasentspannungsanlagen ermöglichen einen Teil der aufgebrachten Energie zur Verdichtung bei der Entspannung wiederzugewinnen, indem sie die kinetische Energie durch einen Generator in elektrische umwandeln, welche in die Stromnetze der ansässigen Energieversorger fließt.

Sowohl bei der Drosselung wie auch bei der Druckminderung durch eine Erdgasentspannungsanlage kühlt sich das Gas so stark ab, dass es vor dem Prozess aufgewärmt werden muss. Diese Abkühlung, also dementsprechend auch die nötige Erwärmung fällt bei der Expansionsanlage erheblich größer aus als bei der Drosselung. Wodurch ein Mehraufwand entsteht, der Grundlage für eine Effizienzberechung darstellt. Dabei wird die Anlage daran gemessen, wie viel elektrischen Strom bezogen auf die benötigte Wärme erzeugt wird.

Ob jedoch diese Anlagen aus Betrachtung der Investitionsrechnung wirtschaftlich sind, ist die hier zu erläuternde Frage. Auf dieses Ziel der Bewertung ist diese Studie ausgelegt. Sie soll dem Leser einen roten Faden, von der physikalischen über die technische bis hin zur wirtschaftlichen Betrachtung geben und durch eine Auflistung am Markt erhältlichen Anlagen die Theorie in die Praxis übergehen lassen.

2. Technische Voraussetzung

2.1. Leistungsanforderungen

Das Aggregat, deren Beschaffung geplant ist, soll die Aufgabe einer Druckminderung und die Verwertung der dabei gewonnene Energie (Vergleiche Abbildung 2.1) in mechanische Energie erfüllen. Die bislang praktizierte Druckminderung durch Drosselung wird hierdurch in Frage gestellt, da eine wirtschaftlichere Prozessgestaltung anstrebt wird. „Zeitgemäße Drosselung“ durch ein Expansionsaggregat soll sowohl die Druckminderung erbringen wie auch Leistung zur Stromerzeugung bereitstellen.

Damit verbunden ist ein Generator, der die mechanische Leistung in Strom umwandelt, und eine Anbindung an das Stromnetz besitzt.

Weiterhin wird ein Wärmetauscher benötigt, da die Expansion zu einer erheblichen Temperatursenkung führt und das ausströmende Gas den Mindestanforderungen bezüglich Temperatur des angeschlossenen Netzes und der weiteren Prozessverwendung genügen muss.

Im Gesamten lassen sich daraus drei Hauptanforderungsaufgaben einer Gasentspannungsanlage darstellen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1-1: Darstellung des Prozesses, (Turbine als Expansionsaggregat), Quelle: Kühnle, Kopp & Kausch (1998)

Die Hauptbetrachtung fällt nun auf die zur ursprünglichen Drosselung nicht vorhandenen Anlagenbereiche: das Expansionsaggregat (hier als Gasentspannungsturbine), der Generator und der Wärmetauscher bzw. das Heizsystem. Diese müssen nun in das existierende System eingegliedert werden. Informationsgespräche zeigten, dass bestimmte technische Daten vorhanden sein müssen um zielstrebig eine Vorabeinschätzung zu ermöglichen. Die angegebenen Daten^[1] beziehen sich aus einem Umfragebogen der Firma Spilling Energie System GmbH und können je nach Hersteller leicht variieren:

Welche spezifische Dichte hat das zu behandelnde Gas (kg/Nm³) ?

Wie hoch ist der Methangehalt (% CH₄) ?

Welche Gasmengen sind zu expandieren (Nm³ /h) ?

Es wird eine Jahresdauerlinie benötigt !

Welche Menge fällt bei minimalem / maximalem Gasdurchsatz an (m³ /h) ?

Wie viel bar hat der minimale / maximale Hochdruck ?

Wie viel bar hat der minimale / maximale Niederdruck ?

Welche Gastemperaturen stehen vor und nach der Einspeisung bei Drosselung an ?

Mit welcher Einrichtung wird die Gasvorwärmung betrieben ?

Welche Betriebsstunden stehen pro Tag, Woche und Jahr an?

2.2. Physikalische Grundbetrachtung

Gase werden bezüglich der Radien der Transportrohre auf spezifische Drücke erhöht um einen möglichst geringen Transportverlust bei hohem Transportvolumen zu realisieren.

Jedoch benötigen manche Endanwender geringeren Druck als ihn Transportleitungen zur Verfügung stellen. Deswegen ist eine Druckabsenkung notwendig. Physikalisch betrachtet wird die dem Gas zugeführte Exergie wieder entnommen. Dies zeigt ein Potenzial auf, aus dem durch entsprechend gestaltete Entspannungsanlagen Energie rückgewonnen werden kann.

Durch heutige Gasentspannungsanlagen lassen sich diese Druckgefälle in mechanische Energie umwandeln, welche durch Abgabe an einen Generator elektrische Energie erzeugen. Die Expansion erfolgt durch eine Turbine oder einen Kolbenmotor. Jedoch wird bei der Abkühlung von Erdgas unter bestimmten Temperaturen Wasser freigesetzt, welches als Eis gefroren zu einer Schädigung der Expanderaggregats führen kann. Ebenfalls sollten zu tiefe Temperaturen nicht an das weitere Netz geleitet werden, um deren Anforderungen einzuhalten.

Dementsprechend wird das Erdgas vor der Expansion vorgewärmt um die genannten Nebeneffekte zu vermeiden. Dabei ergibt sich letztendlich ein Wirkungsgrad von bis zu 0,8-0,9 kWh elektrischer Energie pro eingesetzter kWh Wärmeenergie. Da dies kein konventionelles Kraftwerk erzeugen kann ist die erste Grundlage zur weiteren Untersuchung gegeben.

Sich entspannende Gase an Drosselvorrichtungen unterliegen dem Joule-Thomson-Effekt, was eine Abkühlung^[2] von ca. 0,4 bis 0,5 K / bar bewirkt. Da bei der Drosselung keine Arbeitsleistung entnommen und nur geringe Wärmeleistung hinzugefügt wird, bleibt der Entalphiegehalt nahezu konstant, wie das folgende Diagram veranschaulicht. Die gestrichelte Linie (1 - 2´ - 5) stellt dabei die Drosselung dar, wohingegen der geplante Entspannungsprozess durch (1 - 2 - 3 - 4 - 5) verdeutlicht wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2-1: Joule-Thomson-Effekt (1 - 2´ - 5) und Joule-Prozess (1 - 2 - 3 - 4 - 5) im Vergleich, Quelle: ASUE e.V. (Stand 28.09.2004)

Der Expansionsprozess lässt sich anhand des Enthalpie / Entropie-Diagramms bildlich darstellen. Durch die isobare Wärmezufuhr in 1-2 und 3-4 wird vermieden, dass die Enthalpie ( H = U_IN + p * V ) in dem Zustandspunkt 3 und 5 zu gering wird. Die Kennlinien in 2-3 und 4-5 kennzeichnen die Arbeitsverrichtung. Jede Kennlinie stellt eine Entspannungsaggregat da, somit ist Prozess als zweistufig zu bezeichnen.

Um nun die Leistungsausbeute P_theo der Entspannung zu erhalten muss nur der Erdgasstrom m´ mit der spezifisch berechneten Arbeit ∆Y_s(p_A, p_E) multipliziert werden

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

^[3].

Da hier ein Idealfall angenommen wird ist P_theo als maximal erreichbare Leistung zu betrachten, wobei ρ_Gem die Dichte des Gemisches wiedergibt.

Diese entstandene Leistung spiegelt sich als Moment M an der Welle wieder, die direkt oder durch ein zwischengeschaltetes Getriebe mit einem Generator verbunden ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

^[4]

Durch den Aufbau des Generators mit angelegtem Magnetfeld des Stators und sich drehendem Rotor fließt Strom in das nahe liegende Netz welcher als abgegebene Arbeit durch einen festgelegten Preis vergütet wird.

Bei der Expansion von Gasen durch Turbinen und Kolben erfolgt aufgrund der Leistungsentnahme eine stärkere Abkühlung, die folgende Formel darstellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

^[5].

Hierbei handelt es sich um theoretische Idealzustände. Dementsprechend sind für Punkt 3 und 5 die geringst möglichen Temperaturen angegeben. Die in Wirklichkeit erreichten Temperaturen liegen höher. Der Issentropenexponent x muss hierbei bezüglich der Erdgaszusammensetzung individuell bestimmt werden.

Aufgrund der Nutzungsweise der angeschlossenen Erdgasnetz besteht jedoch eine Mindesttemperaturanforderung die eingehalten werden sollte. Dadurch muss die Eintrittstemperatur des Gases bezüglich der erlaubten Austrittstemperatur angeglichen werden. Dies geschieht durch die vorherige Erwärmung des Erdgases mit einem entsprechenden Heizsystem.

Bei diesem Vorgang wird dem Erdgas die Wärmeenergie Q zugeführt, damit sich seine Temperatur im Wärmetauscher von T₁ auf T₂ erhöht. Die Formel hierzu lautet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[...]

^[1] Vgl. Spilling Energie System GmbH (Stand 24.09.04).

^[2] Vgl. Gebhardt/Kohl/Steinrötter (2002), III.4.

^[3] Schill/Müller (1996), S.185.

^[4] Schill/Müller (1996), S.194.

^[5] Vgl. Cerbe/Hoffmann(2002), S.155.